KR101480945B1 - 누수 방지용 볼밸브 - Google Patents

Abstract

본 발명은 배관 사이에 설치되어 유체의 흐름을 제어하는 볼밸브에 있어서, 배관과 연통되는 실린더가 형성된 밸브바디, 상기 밸브바디의 상부에 실린더와 연통되도록 개방되는 볼홀, 상기 볼홀을 통해 실린더내에 안착되어 회전되면서 유로를 개폐하고 스템공이 형성된 볼, 상기 볼홀을 덮으면서 밸브바디와 결합되고 스템공이 형성된 실린더커버, 상기 실린더커버와 볼의 스템공에 삽입되어 볼과 함께 연동할 수 있도록 일체로 결합되고 하단이 실린더 바닥에 지지되어 정역회전되면서 회전력을 볼에 전달하는 밸브스템, 상기 볼이 회전될 때 접하는 실린더의 벽면을 따라 형성되는 링홈 및 상기 링홈에 선단의 일부만 삽입되고 3 ~ 10mm의 폭을 갖으며 후단에서 선단으로 갈수록 직경이 점점 더 크게 형성되어 상기 볼이 회전되면서 후단에 누르는 압력을 가하면 선단이 링홈 벽면에 밀착되면서 선단이 확장되어 볼 및 링홈 벽면과 그 밀착력이 높아지는 수밀링을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 누수 방지용 볼밸브에 관한 것이다.

Description

누수 방지용 볼밸브{Ball valve for leakage protection}

본 발명은 유체의 흐름을 제어하는 볼밸브에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 볼의 일부를 브이자 형태로 가공하여 유량을 조절할 수 있고 한번 설치된 수밀부재를 교체 없이 반영구적으로 사용할 수 있으며 유로가 닫혔을 때 상대적으로 수압(유압)이 높아도 누수를 방지할 수 있는 누수 방지용 볼밸브에 관한 것이다.

밸브는 유체나 기체가 흐르는 관로에 설치되어 그 유체나 기체의 흐름을 제어하는 장치이다.

밸브의 종류는 볼밸브, 글로브밸브, 플러그밸브, 게이트밸브, 버트플라이밸브 등 여러가지 있다.

볼밸브는 밸브의 실린더 내에 실린더와 거의 같은 구경의 내부가 관통된 볼을 삽입하여 핸들의 조작에 따라 관로를 개폐시키는 구조이다.

유체의 흐름방향과 개로가 동일하고 밸브 내부의 볼의 관통부의 구경이 관경과 거의 같아 압력손실이 거의 없다는 것과, 개폐가 신속하고 밸브의 상태로 개폐상태를 쉽게 알 수 있다는 장점이 있다. 그렇지만 열림량에 따라 유량의 변화가 너무 크다는 단점이 있다.

볼밸브의 발전된 형태로서 브이노치 볼밸브가 있는데, 반구형태의 볼을 실린더 내경에 삽입하되, 일측면을 옆으로 누운 V자 형태로 개방시켜 관로를 개폐하면서 유량까지 조절할 수 있도록 한 것이다.

이러한 브이노치 볼밸브는 압력손실이 없는 볼밸브의 장점과 열림량에 따른 급격한 유량 변화의 단점을 개선하였지만, 볼밸브가 가지고 있는 누수 문제는 여전히 단점으로 남아 있다.

볼밸브나 브이노치 볼밸브의 누수 방지 구조는 동일한데 그 구조를 살펴보면 도 1, 도 2, 도 3에 도시된 바와 같이, 크게 밸브바디(12), 볼(14), 실린더(16), 실린더커버(18), 스템(20), 조작핸들(22)로 이루어진다.

이와 같이 이루어진 볼밸브의 실링구조를 살펴보면, 밸브바디(12) 내부에 형성된 실린더(16) 내벽면에 수밀부재지지볼트(24)를 체결하고 수밀부재지지볼트의 선단에 수밀부재홈(26)을 형성한 후 여기에 수밀부재(28))를 끼워서 약간 편심된 볼(14)의 회전에 따른 수밀부재(28)와의 압축에 의해 수밀을 유지한다. 그런데 수밀부재(28)의 재료는 여러 가지가 있지만 모두 고무와 같은 신축성 재료로서 사용하다 보면 그 신축성이 떨어져 볼(14)과의 압축강도(밀착력)가 낮아지므로 제기능을 못한다.

수밀부재(28)가 밀착력이 낮아져 제기능을 못하게 되면 수밀부재지지볼트(24)를 분리하여 수밀부재(28)를 교체해야 한다.

이와 같은 수밀부재(28)는 반복되는 압축에 의해 그 신축성이 떨어져 사용중에 자주 교체해야 하고, 실린더(16)에 수밀부재를 받쳐주는 구성을 형성하기 어려워 수밀부재지지볼트(24)를 추가로 구성해야 하므로 구성이 복잡해진다. 또한 수밀부재지지볼트(24)를 실린더 내경에 탭을 내어 볼트/너트 방식으로 체결해야하므로 실린더 내경 만큼 축소되어 배관의 내경 보다 상대적으로 크게 해야 한다.

또한, 수밀부재를 교체하는 것은 볼밸브의 실린더커버, 볼, 스템, 실린더커버, 조작핸들 등 그에 따른 구성들을 모두 분해해야 하기 때문에 교체 작업이 어렵고 시간도 많이 걸리며 그에 따른 교체비용이 많이 들게 된다.

게다가 수밀부재의 신축성에 의해 수밀이 유지되므로 고압에서는 수밀을 유지하기 어려운 문제점도 있었다.

대한민국 공개 특허공보 10-2010-90944 호, 대한민국 등록특허 10-1289873 호, 대한민국 공개 특허공보 10-2014-0002317 호

본 발명은 전술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 한번 수밀부재가 설치되면 교체하지 않고도 반영구적으로 사용할 수 있고, 강판에 탄성 복원력에 의해 틈새를 밀착하므로 고압에서도 수밀을 유지할 수 있는 수밀이 방지되는 볼밸브를 제공하고자 한다.

본 발명은 상기의 목적을 달성하기 위하여 배관 사이에 설치되어 유체의 흐름을 제어하는 볼밸브에 있어서, 배관과 연통되는 실린더가 형성된 밸브바디, 상기 밸브바디의 상부에 실린더와 연통되도록 개방되는 볼홀, 상기 볼홀을 통해 실린더내에 안착되어 회전되면서 유로를 개폐하고 스템공이 형성된 볼, 상기 볼홀을 덮으면서 밸브바디와 결합되고 스템공이 형성된 실린더커버, 상기 실린더커버와 볼의 스템공에 삽입되어 볼과 함께 연동할 수 있도록 일체로 결합되고 하단이 실린더 바닥에 지지되어 정역회전되면서 회전력을 볼에 전달하는 밸브스템, 상기 볼이 회전될 때 접하는 실린더의 벽면을 따라 형성되는 링홈 및 상기 링홈에 선단의 일부만 삽입되고 3 ~ 10mm의 폭을 갖으며 후단에서 선단으로 갈수록 직경이 점점 더 크게 형성되어 상기 볼이 회전되면서 후단에 누르는 압력을 가하면 선단이 링홈 벽면에 밀착되면서 선단이 확장되어 볼 및 링홈 벽면과 그 밀착력이 높아지는 수밀링을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 누수 방지용 볼밸브을 제공한다.

상기 수밀링은 상기 수밀링은 후단에서 선단으로 가면서 그 직경이 점점 더 커질때 단면이 포물선을 그리는 것을 특징으로 하고, 상기 볼은 실린더내에 안착될 때 실린더 중심에서 편심되어 있어서 회전각도에 따라 상기 수밀링과의 거리가 변화되는 것을 특징으로 하며, 상기 볼에는 볼의 회전각도에 따라 유입되는 유량의 차이가 완만하게 이루어지도록 브이자 형태의 살빼기공이 형성된 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 볼밸브의 개폐시 볼과 접하는 실린더 벽면 사이의 미세한 틈새로 누수가 되는 것을 방지할 때, 실린더 벽면에 작은 링홈을 형성한 후 여기에 수밀링을 끼워서 이루어지므로, 지금까지 실링부재를 끼우기 위해 실린더 내벽면늘 링홈에 비해 넓고 깊게 파내는 가공을 할 필요가 없고, 실링부재를 지지하는 별도의 실링부재지지볼트가 없어도 되므로 볼밸브의 구조가 단순해지며, 강판의 미세한 휨을 이용한 탄성력으로 틈새를 막으므로 반복되는 실링 동작에서도 탄성이 감쇄되지 않는다. 또한, 고무와 같은 압축성 재료를 이용한 실링부재는 마모나 부식도 빨리 진행되고 고압이 걸리면 견디지 못하여 틈새가 생기지만, 본 발명은 내마모성과 내부식성도 우수하고 강판의 탄성에 의해 강하게 밀착시킴으로써 고압에서도 수밀을 유지할 수 있다.

도 1은 종래 볼밸브의 분해사시도이다.
도 2는 종래 볼밸브의 단면도이다.
도 3은 종래 다른 볼밸브의 단면도이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 볼밸브의 단면도이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 볼밸브의 수밀링이다.
도 6는 도 4 "B" 부분의 확대상세로도서 본 발명의 일실시예에 따른 볼밸브가 열린 상태를 나타낸 것이다.
도 7은 도 4 "B" 부분의 확대상세로도서 본 발명의 일실시예에 따른 볼밸브가 닫힌 상태를 나타낸 것이다.
도 8은 본 발명에 따른 다른 실시예에 따른 수밀링의 사시도이다.
도 9는 본 발명에 따른 다른 실시예에 따른 수밀링이 설치된 볼밸브의 단면도이다.

첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 설명하면 다음과 같다.

도 4 내지 도 7에 도시된 바와 같이, 배관과 연통되도록 수평방향으로 관통되는 실린더(120)가 형성된 밸브바디(110)가 구비된다. 밸브바디의 양단에는 볼밸브가 배관 사이에 설치될 때 배관과 결합할 수 있도록 플랜지(f)가 형성된다.

밸브바디(110)의 상면 중앙에는 개방되어 실린더와 연통되는 볼홀(130)이 형성된다. 볼홀(130)은 후술하는 볼이 통과하여 설치되는 것으로 볼의 직경 보다 조금 여유있게 내경이 설계된다.

볼홀(130)이 형성되는 위치의 실린더(120) 바닥에는 후술하는 스템이 끼워진 상태로 회전될 수 있도록 스템지지공(150)이 형성된다.

실린더(120) 바닥에는 스템지지공(150)을 회전지점으로 하는 볼(140)이 안착된다. 볼(140)의 수직방향으로는 상하로 관통하는 스템공(142)이 형성되어 있으며, 볼(140)의 중심부분은 실린더(120) 내경과 대략 일치하도록 살빼기공(144)이 형성되어 있다. 기존의 볼밸브의 볼은 완전 구체의 볼 중심에 수평방향으로 유로공이 형성되어 볼이 회전되면서 실린더의 길이방향 중심선과 수평이 되면 유로가 완전히 개방되고 반대로 회전하여 실린더의 길이방향 중심선과 수직이 되면 완전히 닫힌다. 본 발명에서는 기존의 볼밸브와 개념적으로 동일한 것으로 실린더 내경을 막을 수 있을 정도로 한쪽면만 구체이고 나머니는 살빼기 되어 있다. 즉 살빼기공(144)은 빈 공간이 되어 유로가 된다.

볼(140)은 유입구 후단의 중심선을 기준으로 약간 편심되게 안착되는데, 이는 볼이 90°회전되었을 때 볼과 유입구 후단이 완전히 밀착되도록 설계한다 해도 가공오차 때문에 틈이 발생할 수 밖에 없으므로 약간 편심시켜 회전각도가 90°에 가까워 질수록 가공오차를 상쇄시킬 수 있도록 한 것이다. 즉 유로가 완전히 열릴 때는 볼(140)과 유입구 후단의 거리가 상대적으로 멀어지게 하고 유로가 닫힐 때는 볼(140)과 유입구 후단의 거리가 최대한 밀착되도록 한다. 이와 같이 볼(140)을 약간 편심시켜 볼과 유입구 후단까지의 거리를 회전각도에 따라 더 멀거나 가깝게 하는 것은 볼밸브의 제조함에 있어서 오래전부터 사용되는 일반적인 기술이다.

볼홀(130)에는 볼홀을 완전히 덮어 막으면서 중심에 스템공(sh)이 형성된 실린더커버(160)가 결합된다. 볼홀(130)에 탭을 내고 실린더커버(160)에도 이와 대응되는 나사산을 형성하여 볼트/너트 방식으로 체결할 수도 있고, 볼홀(140)을 이루는 외주를 따라 다수의 볼트공을 형성하고 실린더커버(160)에도 이와 대응되는 다수의 볼트공을 형성하여 볼트로 체결할 수도 있다.

볼홀의 스템공(sh)에는, 볼의 스템공(sh)도 통과하면서 스템지지공(150)에 끼워져 고정되는 밸브스템(170)이 형성된다. 밸브스템(170)은 키와 키홈 방식으로 볼(140)과 일체로 결합되어 밸브스템(170)에 회전력이 가해지면 그 회전력을 볼(140)에 전달하여 볼(140)을 정역 회전시킬 수 있다.

밸브스템(170)은 하나로 되어 있으면 볼의 살빼기공을 통과하기 때문에 유로의 공간을 축소시킬 수 있으므로 두개로 분리하여 볼의 상부에 형성된 스템공과 하부에 형성된 스템공에 분리하여 끼워 볼(140) 자체를 외력을 전달하는 매개체로 이용할 수 있다. 이는 볼(140)의 살빼기공(142)에 밸브스템(170)이 지나가지 않도록 하여 유로가 좁아지는 것을 방지하기 위한 것이다.

실리던커버(160)의 상부에는 스템지지대(180)가 결합되는데 중심에는 실린더커버(160)의 스템공(sh)과 연통되는 스템공(sh)이 형성되어 있고, 스템지지대(180)의 상부로 돌출된 밸브스템(170)에는 조작핸들(190)이 연결된다. 조작핸들(190)은 모터나 유압기구에 연결되어 조작핸들을 기계적으로 작동시킬 수 있고, 손으로 직접 작동시킬 수도 있다.

실린더(120)는 볼(140)이 안착되는 부분의 내경을 상대적으로 크게 하는데, 이는 볼(140)의 지름이 유입구 보다 더 커야 유입구를 막을 수 있기 때문이다. 또한 유입구 후단을 이루는 실린더 벽면과 볼(140)의 외면이 밀착될 수 있도록 설계되어 있으므로 볼(140)이 회전되면서 살빼기공(142)이 유입구 방향으로 회전되면 유로가 열리고, 볼의 구체부분이 유입구 방향으로 회전되면 유로가 닫히며, 살빼기공과 구체부분 사이는 회전각도에 따라 열림량이 조정되므로 유량이 조정된다.

볼(140)과 접하는 유입구 후단에는 실린더 벽면을 따라 오목한 링홈(210)이 형성된다. 링홈(210)의 깊이는 1 ~ 2mm이고, 폭은 2 ~ 5mm이지만, 필요에 따라 가감할 수 있다. 링홈(210)에는 두께가 1mm 정도이고 폭이 3 ~ 7mm인 수밀링(220)이 선단만 끼워지고 후단은 링홈(210) 밖으로 돌출된다. 수밀링은 금속재 평판이 사용되지만 강성이 우수한 강판이 바람직하고 후단에서 선단으로 가면서 내경이 점점 더 커질 수 있도록 되어 있으며, 후단에서 선단으로 가면서 단면이 밖으로 포물선을 그리며 휘어지도록 되어 있다.

수밀링(220)의 선단 외경은 링홈(210)의 내경 보다 1mm정도 더 크게 형성되는데, 이는 수밀링(220)이 링홈(210)에 끼워졌을 때 빠지지 않도록 한 것이다. 수밀링(220)의 선단이 링홈(210)의 내경 보다 크므로 그냥 끼우면 걸려서 들어가지 않지만, 얇은 강판이므로 링홈(210)에 대고 망치 등으로 두드리면 탄성적으로 휘면서 끼워지고, 끼워진 후에는 복원되어 링홈(210)에서 빠지지 않고 걸리게 된다. 이렇게 끼워진 수밀링(220)이 잘 빠지지 않도록 하기 위하여 수밀링(220)의 선단 외주에 걸림턱을 형성될 수도 있다. 이는 억지로 끼워진 수밀링(220)이 링홈(210)에 걸림턱이 걸려서 잘 빠지지 않도록 한 것이다.

링홈(210)은 볼(140)과 유입구 후단이 접하는 부분에 형성되므로 수밀링(220)은 볼(140)과 링홈(210) 사이에 끼워진 상태가 된다. 수밀링(220)은 선단이 링홈(210)에 끼워져 있기는 하지만 링홈(210)에서 빠지지 않도록 걸리는 부분이 없기 때문에 물이 유입구를 통해 유입될 때 유체의 압력만으로도 빠질 수 있는 개연성이 있지만, 볼(140)의 일부면이 항상 링홈(210)에 밀착되어 있어 빠지지 않는다. 따라서 링홈(210)에 수밀링(220)을 끼운후 볼(140)이 조립되어야 한다.

도 8과 도 9는 본 발명의 다른 실시예로서 수밀링(220)이 후단에서 선단으로 가면서 단면이 안으로 포물선을 그리며 휘어지도록 할 수도 있고, 볼(140)이 전진하면 수밀링(220)의 후단을 밀어 선단이 확장되는 기능은 일실시예와 같다.

상기와 같이 구성된 본 발명에 따른 볼밸브의 작용을 설명하면 다음과 같다.

도 4에 도시된 바와 같이, 유로를 열고자 할 때에는 조작핸들(190)을 돌려서 밸브스템(170)을 돌리면 이와 연결된 볼(140)이 회전되면서 볼의 살빼기공(142) 부분이 유입구와 연통되도록 한다.

반대로 유로를 닫고자 할 때는 열때와 반대 방향으로 조작핸들(190)을 돌려서 밸브스템(170)을 돌리면 이와 연결된 볼(140)이 회전되면서 볼(140)의 구체 부분이 유입구를 막도록 한다. 유로가 열릴때 볼의 회전각도를 0°라 한다면 유로가 완전히 닫힐때 볼의 회전각도는 90°이다. 유로를 닫을 때 볼과 링홈 사이의 간격이 도 6과 같이 멀어져 있다가 볼의 회전각도가 90°에 가까워질수록 볼(140)과 링홈(210)사이의 간격이 도 7에 같이 가까워지면서 링홈(210)의 외부로 노출된 수밀링(220)의 후단을 볼(140)이 밀게 된다. 볼(140)에 의해 수밀링(220)의 후단이 밀리면 링홈(210) 공간내에서 약간 전진하다가 링홈(210)을 이루는 벽면에 막혀 더 이상 전진하지 못하고 밀착력이 높아지면서 수밀링(220)의 선단이 확장된다. 수밀링(220)은 강판이므로 재료 자체가 압축되는 것이 아니라 선단이 탄성적으로 벌어지면서 밀착되므로 그 밀착력도 강하지만 외력이 제거되면 바로 복귀되고 탄성복원력도 반 영구적이다.

수밀링(220)의 선단이 확장되면서 링홈(210) 벽면에 강하게 밀착되면 볼(140)과 유입구 후단 사이의 틈새가 막히므로 고압에서도 누수(물,우유,기름,가스 등의 유체)가 방지된다.

110 : 밸브바디 120 : 실린더
130 : 볼홀 140 : 볼
142 : 살빼기공 150 : 스템지지공
160 : 실린더커버 170 : 밸브스템
180 : 스템지지대 190 : 조작핸들
210 : 링홈 220 : 수밀링
sh : 스템공

Claims (4)

1. 배관 사이에 설치되어 유체의 흐름을 제어하는 볼밸브에 있어서,
   배관과 연통되는 실린더(120)가 형성된 밸브바디(110);
   상기 밸브바디의 상부에 실린더와 연통되도록 개방되는 볼홀(130);
   상기 볼홀을 통해 실린더내에 안착되어 회전되면서 유로를 개폐하고 스템공이 형성된 볼(140);
   상기 볼홀을 덮으면서 밸브바디와 결합되고 스템공이 형성된 실린더커버(160);
   상기 실린더커버와 볼의 스템공에 삽입되어 볼과 함께 연동할 수 있도록 일체로 결합되고 하단이 실린더 바닥에 지지되어 정역회전되면서 회전력을 볼에 전달하는 밸브스템(170);
   상기 볼이 회전될 때 접하는 실린더의 벽면을 따라 형성되는 링홈(210); 및
   상기 링홈에 선단의 일부만 삽입되고 3 ~ 10mm의 폭을 갖으며 후단에서 선단으로 갈수록 직경이 점점 더 크게 형성되어 상기 볼이 회전되면서 후단에 누르는 압력을 가하면 선단이 링홈 벽면에 밀착되면서 선단이 확장되어 볼 및 링홈 벽면과 그 밀착력이 높아지는 수밀링(220);
   을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 누수 방지용 볼밸브.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 수밀링은 후단에서 선단으로 가면서 그 직경이 점점 더 커질때 단면이 포물선을 그리는 것을 특징으로 하는 누수 방지용 볼밸브.
   
3. 제1항에 있어서,
   상기 볼은 실린더내에 안착될 때 실린더 중심에서 편심되어 있어서 회전각도에 따라 상기 수밀링과의 거리가 변화되는 것을 특징으로 하는 누수 방지용 볼밸브.
   
4. 제1항에 있어서,
   상기 볼에는 볼의 회전각도에 따라 유입되는 유량의 차이가 완만하게 이루어지도록 브이자 형태의 살빼기공이 형성된 것을 특징으로 하는 누수 방지용 볼밸브.
   
   
   
   
   
   

Images